用于同步高功率固体激光的高精度时钟发生技术研究

1 引言

        对于高功率固体激光装置、大型医疗设备等，同步触发系统是一个非常重要的、必不可少的环节，同步触发脉冲的时间间隔抖动精度会影响这些装置的运行效率和运行精度。由于这类装置是要求同步触发信号和激光同步，因此μs级抖动精度是基本要求，从物理上要求同步触发信号具有ns、ps量级的时间间隔抖动精度[1]。

        决定该类同步机输出触发信号的时间定位精度有两个关键元素：一是同步机的时钟精度；二是同步机的时间延迟精度[2]。

        本文提出了一种用于高功率固体激光装置同步系统的高精度时钟产生技术[3][4][5]，输入信号为高精度的重复频率激光，经过光电转换和放大，再经过高精度锁相环锁相，以得到和输入激光具有严格相位关系的高精度时钟。利用该技术获得的高精度时钟和主激光的时间间隔抖动为峰峰抖动小于20ps，RMS小于2ps，该精度指标国内未见相关报道。目前该技术已经成功地用于高功率固体激光装置高精度同步触发系统的研制，获得了满意的效果。

2 技术指标要求

        整个同步系统输出两种精度的同步触发信号，即ns级信号和s级信号，两种精度的同步信号的具体技术指标如表1所示。

        输入光脉冲的技术指标：
1）激光脉冲频率51.84MHz。
2）激光脉冲宽度大于500ps。
3）激光功率大于-10dBm。
4）激光脉冲之间的时间间隔抖动(RMS)小于2ps 。
5）激光波长为：1053nm。

        经过光电转换、放大和锁相后输出的电脉冲的技术指标要求如下：
1) 信号为电信号；
2) 信号前沿小于200ps；
3) 信号电平为LVPECL；
4) 输出序列信号之间的时间抖动小于25ps（Pk-Pk）,2.5ps（RMS）；
5) 输出电脉冲信号和光脉冲之间的相位抖动小于30ps（Pk-Pk）,4ps（RMS）；
6) 输出信号频率为155.52MHz。

        从以上六条指标可以看出，不仅要求输出信号的前沿要足够快，而且信号的时间抖动技术指标的要求都非常高，特别是输出信号和输入光脉冲之间的相位抖动要求非常高。该类技术指标要求如此之高，在国内未见报道。

3 总体技术方案

        如图1所示，从测试激光器输入一束重频激光(激光波形前沿小于100ps，重复频率51.84MHz，光信号的RMS抖动小于2ps)送入光电转换和PLL频率合成模块，产生高精度的电脉冲信号。

图1 总体技术方案

        如图1所示，从测试激光器输入一束重频激光(激光波形前沿小于100ps，重复频率51.84MHz，光信号的RMS抖动小于2ps)送入光电转换和PLL频率合成模块，产生高精度的电脉冲信号。

4 低抖动重复频率光电转换技术

                          图2 低抖动重复频率光电转换

        如图2所示，低抖动重复频率光电转换，首先完成光电转换，再经过整形电路以输出电脉冲，供下一级电路进行放大和锁相输出。

        采用力科6GHz的示波器，测得的激光器输出的光脉冲的频率和抖动的指标如下：
1） 信号频率：52MHz；
2） 频率变化：7.48kHz
3）Pk-Pk抖动:16ps
4）Rms 抖动:2.03ps

        如图3所示，是采用力科6GHz的示波器，测得的自研光电转换电路转换后输出的电脉冲和激光器输出的光脉冲信号之间的相位抖动，测的技术指标如下：
1）Pk-Pk :14ps
2）Rms:2.45ps

     图3 光电转换后的电脉冲和输入光脉冲之间的信号抖动

5 低抖动重复频率电脉冲的锁相和整形放大

        技术方案如图4所示，低抖动重复频率电脉冲信号经过放大，再进行PLL锁相倍频，最终输出155.52MHz的电脉冲信号[6][7]。

图4 低抖动重复频率电脉冲的锁相和整形放大原理

        由于输出时钟信号要求的指标非常高，因此锁相环电路研制是关键，该锁相环电路必须具有抖动衰减能力，而且在设计上应该是锁住平均相位，即对瞬时突变不敏感。锁相环电路研制采用了DDS、数字锁相环、模拟锁相环等进行验证，最终结论是必须在定频率点采用模拟锁相环。

        如图5所示，是采用力科6GHz的示波器，测得的锁相后输出电脉冲和锁相前输入光脉冲之间的相位抖动的指标如下：
1）Pk-Pk :17ps
2）Rms:2.62ps

图5 锁相后输出的时钟信号的抖动精度测试

6 结论

        最终输出信号的技术指标达到了设计要求，获得了较为满意的结果。该技术对我国新一代高功率固体激光驱动器以及其它需要高精度同步的仪器或者设备的设计具有较高的参考价值，为以后的神光III主机同步系统提供了可靠的的时钟源。为国内的相关技术提供了一个崭新的技术路线，来解决时间晃动和远距离传输的问题，有广泛的推广前景。